武相 黃捷 孫冠宇 趙千里 干依燃

【摘 要】標準支吊架因其零部件通用性高，便于規(guī)模生產(chǎn)，被廣泛應用于工程實際。本文基于Creo軟件，從模型數(shù)據(jù)庫、用戶界面、力學校驗及工程圖紙輸出四個方面探討了標準支吊架設計方法，并提出一種基于Creo軟件的標準支吊架設計思路和方法，以滿足工程實際需求。

【關鍵詞】標準支吊架;Creo;模型數(shù)據(jù)庫;用戶界面;力學校驗;圖紙輸出

中圖分類號： TP311.52文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）06-0065-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.023

【Abstract】Standard support and hanger is widely used in actual manufacture for the universality and convenience of mass production .In this paper， how standard support and hanger design in Creo was studied in four aspects： model database establishment， user interface interaction， mechanical performance testing and engineering drawing output. Finally a thinking process and approach was put forward to design support and hanger to satisfy the requirements of engineering projects.

【Key words】Standard support and hanger; Creo; Model database; User Interface; Mechanical performance testing; Drawing output

0 引言

支吊架主要功能為承受管道載荷、限制管道位移、控制管道振動，是保證系統(tǒng)管道安全運行的重要措施，被廣泛應用于核電、火電、化工、船舶、航天等眾多領域。支吊架分為標準支吊架和非標支吊架兩類，由于標準支吊架的零部件通用性高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，絕大部分的實際工程設計采用了標準支吊架。

支吊架設計通常是根據(jù)其功能及載荷輸入，在手冊中選用滿足其承載要求、布置要求的零部件完成組合后，再進行力學校驗即可完成定型設計。在實際的工程設計過程中，支吊架用量相當龐大，僅一個系統(tǒng)就可能存在上千張圖紙，因此，支吊架詳細設計是一項費時、費力、工作量巨大的工作。根據(jù)工程設計經(jīng)驗反饋，傳統(tǒng)的基于AutoCad的“二維”設計手段，不僅效率低、出錯率高，而且占用大量的人力資源，無法滿足實際的工程設計需求。目前，大部分領域已應用三維設計手段開展支吊架設計，其不僅在可視化方面具有明顯優(yōu)勢，而且實現(xiàn)了力學校驗的自動化，同時可以完成校驗報告及支吊架圖冊的自動化輸出，減少了人為出錯的概率，提升了資源利用率，提高了設計效率。

本文基于Creo三維設計軟件，針對標準支吊架設計及應用加以探討，并提出一種可行的標準支吊架設計的開發(fā)思路或方法。

1 常用標準支吊架設計軟件簡述

目前，標準支吊架設計采用的軟件種類較多，如EHS、AUTOPHS、LICAD、PDSOFT.SUPPORT及PDMS-NPHS等，其特點如下：

（1）EHS為查表選型類軟件，數(shù)據(jù)庫基于標準支架零部件手冊和標準生根手冊;EHS以AutoCad為圖形平臺，數(shù)據(jù)結(jié)構主要用C語言實現(xiàn);EHS通過導出數(shù)據(jù)庫中的零部件搭建支吊架，并生成平面圖和清單;EHS通過開發(fā)與其它三維軟件（如PDMS）、力學分析軟件（如CAESARⅡ）的接口，實現(xiàn)支吊架三維實體的創(chuàng)建及力學結(jié)果的輸出。

（2）AutoPHS是UESOFT開發(fā)的自動管道支吊架設計軟件，亦為查表選型類軟件，數(shù)據(jù)庫基于標準支架零部件手冊和標準生根手冊;該軟件可根據(jù)用戶輸入的參數(shù)信息，通過規(guī)則判斷組合最優(yōu)的支架結(jié)構;軟件能夠搭建三維實體模型，自動生產(chǎn)二維支吊架組裝圖;根據(jù)標準手冊，能夠自動計算彈簧和恒力彈簧。

（3）LISEGA為查表選型類軟件，其標準件的數(shù)據(jù)庫為LISEGA產(chǎn)品庫，其支吊架設計模式與EHS類似。

（4）PDSOFT為三維工廠設計軟件，在支吊架設計上為查表選型類軟件。該軟件以PDSOFT 3DPiping為平臺，在3DPiping軟件建立的管道模型和構筑物模型基礎上進行三維支吊架設計，包括支吊架數(shù)據(jù)庫管理、支吊架圖形庫管理、支吊架建模、材料統(tǒng)計和支吊架圖紙自動生成。

（5）PDMS為三維工廠設計軟件，其支吊架設計主要由管道支吊架結(jié)構設計軟件-NPHS（中國核動力研究設計院自主設計開發(fā)）實現(xiàn)。NPHS數(shù)據(jù)庫基于標準支架零部件手冊和標準生根手冊，其主要包括四個功能：a.支吊架三維標準零部件庫;b.支吊架三維結(jié)構設計;c.可批量地支吊架出圖;d.可批量地支吊架材料清單生成。根據(jù)實際核電工程的應用反饋，使用NPHS設計的支吊架圖紙內(nèi)容精確、直觀易懂、表達清晰美觀，獲得設計同行、業(yè)主及施工單位的廣泛好評[1]。

2 Creo軟件簡介

Creo軟件是美國PTC公司在Pro/ENGINEER軟件基礎上開發(fā)的一款三維設計軟件，在全相關性、模型參數(shù)化、裝配管理等方面具有明顯的優(yōu)勢。該軟件包括了在工業(yè)設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等。該軟件還提供目前所能達到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。

此外，Creo軟件提供了采用標準Windows“部件對象模式（COM）”技術和“對象連接的潛入（OLE）”技術的應用程序接口，使用戶可以對軟件進行二次開發(fā)，以滿足自身需求[2]。Creo軟件還提供了強大的二次開發(fā)工具，主要包括族表（Family Table）、用戶定義特征（UDF）、Pro/Program、J-link、Creo/ToolKit等[2]。

3 基于Creo軟件的標準支吊架設計

3.1 總體思路

在實際的工程中，標準支吊架設計主要包含以下4個方面：

（1）結(jié)構設計

支吊架的結(jié)構設計主要涉及功能、結(jié)構形式及其零部件選型，不同行業(yè)或企業(yè)因其應用環(huán)境的不同，支吊架及零部件采用的標準及使用經(jīng)驗不徑相同，因此，支吊架的設計存在適用性的問題。通常采取創(chuàng)建與行業(yè)或者企業(yè)相匹配的標準支吊架數(shù)據(jù)庫，其中包括標準、規(guī)范、常用材料及模型數(shù)據(jù)庫等，以滿足行業(yè)或企業(yè)自身的設計需求。

（2）用戶界面

目前，常用支吊架設計軟件均開發(fā)了相對友好人機交互界面，以方便設計者快捷的完成支吊架結(jié)構設計。一個友好的用戶界面，不僅能夠使設計者快速的檢索、調(diào)用各種需要的支吊架資料及模型特征參數(shù)信息，并能夠根據(jù)實際需求輸入和變更相關設計參數(shù)，提高設計效率;同時，設計者不需要了解三維應用軟件深層次的工作原理、程序源代碼等知識，僅掌握軟件的基本應用技能，即可完成支吊架設計。

（3）力學校驗

實際的支吊架設計過程，其在結(jié)構定型前，通常需要開展力學校驗，以判斷其是否滿足力學性能要求，即支吊架結(jié)構設計和力學校驗之間存在迭代過程。只有通過了力學校核的結(jié)構才能最終實現(xiàn)支吊架定型設計。

（4）工程圖紙輸出

目前，由于三維設計中模型精度及覆蓋率不足、非幾何信息表達的完整性和透明性不足等問題，三維設計系統(tǒng)尚不能完全取代工程圖實現(xiàn)實際工程中各個環(huán)節(jié)的無紙化操作，二維工程圖仍然是企業(yè)溝通和交流的主要工具。因此，實現(xiàn)三維與二維之間的有效轉(zhuǎn)換至關重要。

綜上所述，本文主要從以上4個方面存在的設計需求出發(fā)，探討標準支吊架設計方法和應用。

3.2 模型數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

支吊架模型數(shù)據(jù)庫的設計關鍵在于標準零部件庫的開發(fā)，其中涉及零部件種類的劃分、命名規(guī)則、模型創(chuàng)建及系列化等內(nèi)容。在建立標準零部件庫時，可結(jié)合行業(yè)或企業(yè)實際需求，采用各自常用的標準規(guī)范、支吊架設計手冊等的零部件種類劃分準則、命名習慣及系列化參數(shù)特點等建立模型數(shù)據(jù)庫，其更符合設計者的設計思路和應用習慣，有利于設計者更快更好的完成設計。

在Creo軟件的二次開發(fā)工具中，族表（family table）工具是根據(jù)標準件的相似性原理，通過對樣本零件參數(shù)的驅(qū)動，派生出相應的系列化零件，且系列化零件的特征參數(shù)存儲在表格中。記錄特征參數(shù)的表格可自由編輯，使創(chuàng)建系列化零件變得簡單易行，且方便管理。因此，族表工具常用于開發(fā)各種結(jié)構的標準件庫。

本文中提及的支吊架標準件庫采用族表工具進行開發(fā)，根據(jù)支吊架設計手冊內(nèi)容，選取樣本零件，創(chuàng)建三維模型，并通過族表創(chuàng)建系列化零件，形成支吊架標準件庫。以三孔管夾為例，圖1、圖2顯示了三孔管夾系列化零件的創(chuàng)建過程。圖1中，d0、d1、d2、d3為樣本零件特征參數(shù)，與圖4-2中的選取的特征參數(shù)一一對應。圖2中紅色標識“SKGJ-000”為樣本零件名稱，藍色標識“SKGJ-000-HGR-Q345B-110-001”為樣本零件衍生出來的單個零件模型名稱。通過驅(qū)動樣本零件特征參數(shù)和族表工具，即可派生出所需要的系列化零件。

友好的人機交互界面可以清楚的引導用戶實現(xiàn)需要的功能，快捷的實現(xiàn)軟件與用戶之間的信息交流。本文中提及的支吊架設計依托于Creo平臺，無需獨立的運行系統(tǒng)，因此開發(fā)的交互界面以對話框為主。對話框的創(chuàng)建常用兩種方法來實現(xiàn)，一種是采用Creo/ToolKit提供的用戶界面對話框（User Interface Dialog Boxes，簡稱UI對話框）技術，另一種是采用MFC（Microsoft Foundation Class）可視化對話框技術。兩種方法的說明詳見表1[3]。

根據(jù)兩種方法的優(yōu)劣，支吊架設計的用戶界面采用MFC的可視化對話框技術。

Visual Studio 2010（簡稱VS2010）是運行于Windows操作系統(tǒng)交互式可視化集成開發(fā)環(huán)境，出自微軟公司，提供了多種開發(fā)語言，并集成了視窗程序設計（API）和MFC庫，為程序設計者提供了簡單友好的開發(fā)界面和一系列輔助開發(fā)工具，用戶只需要按照向?qū)Ы缑娴奶崾荆斎氤绦蚪⒌囊恍┮?，就可以自動得到一個有基本功能的、完整的應用程序。

本文選用VS2010集成開發(fā)環(huán)境和MFC面向?qū)ο蠊ぞ邔χУ跫茉O計用戶界面進行編程和界面設計。

此外，用戶界面的信息提取采用動態(tài)鏈接技術，主要為DLL文件的生成、編譯和注冊，該文件可通過VS2010、Creo/ToolKit進行編譯。用戶界面與數(shù)據(jù)庫信息參數(shù)交互過程詳見圖3。

3.4 支吊架力學校驗

Creo軟件不僅具備模型設計功能，而且具備結(jié)構的分析計算、運動仿真等功能，其Simulate產(chǎn)品線提供兩個模塊，即“結(jié)構”模塊和“熱”模塊，每種模塊都針對不同系列的機械特性解決問題。其中，結(jié)構 （Mechanical）用于評估零件或裝配的結(jié)構特性。此模塊允許為模型創(chuàng)建結(jié)構載荷和約束，然后執(zhí)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、預應力分析、失穩(wěn)分析和振動分析。還可以評估模型的疲勞壽命和解決接觸問題。熱 （Thermal）用于評估零件或裝配的熱行為。此模塊允許對模型施加熱載荷、規(guī)定的溫度和對流條件，然后執(zhí)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。通過上述兩個模塊，Creo軟件可以對各種大型復雜結(jié)構的力學開展分析計算。